上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)上海建筑設(shè)計研究院有限公司
壽煒煒 張偉程 孫斌
溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)的空調(diào)技術(shù)是一種節(jié)能空調(diào)技術(shù)；作者通過研究分析，認(rèn)為一體式熱泵型溶液調(diào)試熱回收型新風(fēng)機(jī)組+干式風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合埋地管地源熱泵組成的溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)的空調(diào)技術(shù)，應(yīng)用效果好，節(jié)能及節(jié)地優(yōu)勢明顯，在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用意義很大，通過實例也證實了其研究結(jié)論。
目前大型公共建筑中有將近一半的能耗用于空調(diào)運(yùn)行中，尋求一種有助于環(huán)境保護(hù)和節(jié)能效果好的空調(diào)系統(tǒng)一直是業(yè)內(nèi)人士共同的目標(biāo)。
將溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)的空調(diào)技術(shù)應(yīng)用在潮濕多雨和建筑物密度較大的江南地區(qū)，確定了以溫濕度獨(dú)立控制和高溫冷水埋管式地源熱泵相結(jié)合的空調(diào)方式在公共建筑中應(yīng)用的適用性和節(jié)能性，提出了應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)要求，為夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用該節(jié)能技術(shù)累積經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，同時也向社會證實了該空調(diào)系統(tǒng)在實際使用項目中的實用性。
一、溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的確定
1、傳統(tǒng)空調(diào)方式存在的問題
目前用于城市辦公建筑空調(diào)的排熱排濕，通常采用表面冷卻器對空氣進(jìn)行冷卻和冷凝除濕來實現(xiàn)的，也就是以電或其它能源，通過制冷機(jī)獲得較低溫度的冷水，利用該冷水同時處理空調(diào)房間的濕度和溫度。該方式往往存在以下問題：
(1)高能耗
為了保證具有較好的除濕效果，夏季空調(diào)冷水不得不采用較低的供水溫度（7°C左右）。占空調(diào)總負(fù)荷一半左右的顯熱負(fù)荷，本可采用高溫冷水（約16°C）進(jìn)行處理?，F(xiàn)在卻需要與除濕處理一起采用7°C左右的低溫冷水，造成能量利用品位上的浪費(fèi)。
(2)難以滿足室內(nèi)熱濕比的變化
使用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，通過表面冷卻器對空氣進(jìn)行冷卻和除濕，顯熱比只能在一定的范圍內(nèi)變化，加上只能控制溫度和濕度兩個參數(shù)中的一個，難以滿足建筑物實際需要的熱濕比在較大范圍內(nèi)變化的要求。最終或造成能耗增加，或影響居住的舒適性。
(3)室內(nèi)空氣品質(zhì)問題
冷凝除濕表面冷卻器的潮濕表面會成為霉菌、軍團(tuán)菌等危害人體健康的微生物繁殖的場所，會滋生各種病菌，危害人體健康，引發(fā)各種“空調(diào)病”。同時過濾器積聚的大量灰塵也會成為送風(fēng)的二次污染源。
2、溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的選擇
溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)技術(shù)的核心是把溫度和濕度兩個參數(shù)的控制由原來常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的一個處理手段改為由兩個處理手段，即通過新風(fēng)除濕控制室內(nèi)濕度，高溫冷水（16-18°C)降溫控制室內(nèi)溫度。該方法能顯著提高了室內(nèi)溫濕度的控制精度，使空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效比得到進(jìn)一步提高，達(dá)到節(jié)能、舒適、提高空氣潔凈度的目的。
二、干濕分離空調(diào)方式與設(shè)備的確定
1、調(diào)濕型新風(fēng)機(jī)組的確定
目前，常用的新風(fēng)除濕方式主要有三種形式：冷凝除濕、固體吸附除濕（轉(zhuǎn)輪除濕）、液體吸濕除溫（溶液除濕），新風(fēng)在h-d圖上處理過程如圖1所示，各種新風(fēng)處理萬式的比較見表1。
圖1 三種不同空氣處理方法的h-d圖
表1 常用的新風(fēng)處理方式比較
由圖1和表1可知，在這三種方法中，溶液除濕具有很大的優(yōu)勢。同時根據(jù)有關(guān)產(chǎn)品的資料，熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組在江南潮濕地區(qū)的除濕能力可以達(dá)到16.6g/kg，機(jī)組COP達(dá)5.0以上，完全能滿足夏熱冬冷地區(qū)的新風(fēng)處理的需求。
2、調(diào)溫空調(diào)顯熱處理末端設(shè)備形式的確定
目前常用的空調(diào)顯熱處理末端裝置主要有四種形式：輻射墻（頂）、輻射吊頂、埋管式輻射地板、干式風(fēng)機(jī)盤管。表2是這四類末端設(shè)備的應(yīng)用特征。
表2常用的空調(diào)顯熱處理末端裝置特征
由表2可知，干式風(fēng)機(jī)盤管是一種制冷量范圍較大、基本可滿足常規(guī)建筑需求、運(yùn)行和控制系統(tǒng)簡單、技術(shù)可靠、價格相對便宜的顯熱空調(diào)末端裝置。當(dāng)然干式風(fēng)機(jī)盤管的供冷負(fù)荷密度較大的原因是有風(fēng)機(jī)輔助換熱，因此需要耗費(fèi)電力，好在直流變速電機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，其耗電功率己降到常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管的一半以下。
3、高冷水源的確定
對于中小型建筑，為了減少設(shè)備投資，簡化系統(tǒng)，用于溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的能源也不希望由另外設(shè)置的燃?xì)忮仩t或電加熱裝置等來提供。從熱源和熱匯的角度考慮，可用于制取高溫冷水及熱水的設(shè)備主要有兩種：水源機(jī)組和空氣源機(jī)組，見圖2。由圖可知，冷卻塔冬季通常不具備供熱條件；絕大多數(shù)夏熱冬冷地區(qū)不允許抽取地下水，同時，除較大的江河外，地表水一般來說流速都很小，水深也只有3-4m，蓄熱和散熱能力有限，很難利用。因此，適合提供高溫冷水同時可兼作空調(diào)熱源的只有地埋管地源熱泵機(jī)組和空氣源熱泵機(jī)組。
圖2 高溫冷（熱）水源的幾種方法
顯然地埋管地源熱泵機(jī)組的效率比空氣源熱泵高得多，它是一種高效、節(jié)能、可減少碳排放的設(shè)備，可采用與熱泵型溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的方法用于江南地區(qū)。
采用螺桿式地源熱泵機(jī)組為空調(diào)系統(tǒng)提供高溫冷水（16°C）、與常規(guī)的7°C冷水相比水溫提高了9°C。冷水溫度的提高，意味著蒸發(fā)溫度的提高，通常蒸發(fā)溫度每提高1°C，機(jī)組效率可提高3%左右，因此總的機(jī)組效率可提高25%以上。
4、小結(jié)
通過以上分析可知，在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)技術(shù)，采用熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組和干式風(fēng)機(jī)盤管末端，在使用安全性，節(jié)能性上都有優(yōu)勢。
三、干濕分離空調(diào)方式與地源熱泵集成的優(yōu)勢
1、節(jié)能優(yōu)勢
(1)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)冷熱源
傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源有兩種：空氣源熱泵機(jī)組和水冷冷水機(jī)組加燃?xì)鉄崴仩t。顯然后者效率高于前者，這里采用后者作為對照對象。
以一臺879kW制冷量的螺桿式制冷機(jī)（COP=4.3）為例，并配置相應(yīng)的冷卻塔、水泵進(jìn)行核算。計算得到夏季制冷系統(tǒng)的SCOP=3.439。
冬季采用效率為90%的燃?xì)鉄崴仩t和循環(huán)水泵，天然氣單價為3.2元/m3，熱值為35.6MJ/m3，電價為0.91元/(kW·h)，計算得到熱價為0.37元/(kW·h)。
(2)干濕分離空調(diào)方式與地源熱泵集成的冷熱源
新風(fēng)處理采用一體式熱泵型溶液調(diào)濕熱回收新風(fēng)處理機(jī)組。該機(jī)組技術(shù)鑒定證書中標(biāo)明，夏季制冷工況時其COP (相當(dāng)于系統(tǒng)SCOP)不小于5；冬季運(yùn)行COP約為7.0，換算得出熱價為0.13元/(kW·h)。
地埋管地源熱泵夏季供高溫冷水（14°C/19°C）冬季供空調(diào)熱水（45°C/40°C）。夏季地埋管的進(jìn)出水溫度為30°C/35°C，高溫冷水的進(jìn)出水溫度為19°C/14°C時，根據(jù)機(jī)組技術(shù)資料，機(jī)組COP為5.99左右?？紤]冷水、冷卻水循環(huán)水泵的能耗后，制冷系統(tǒng)的SCOP=4.283。
地埋管的出水溫度研究表明，冬季供暖季時機(jī)組出水溫度最低約為10.5°C，最高在22°C左右。因此可以認(rèn)為，冬季平均供水溫度在15°C以上。根據(jù)機(jī)組技術(shù)資料，熱水出水溫為45°C時的平均性能系數(shù)可以達(dá)到5.30?？紤]熱水、地源水循環(huán)水泵的能耗后，制冷系統(tǒng)的SC0P=4.31。可以計算得出熱單價為0.211元/(kW·h)。
由此得到對比結(jié)果，見表3。雖然實際運(yùn)行過程中顯熱冷負(fù)荷不可能全部由地源熱泵機(jī)組承擔(dān)，但由表3也可看出，溶液除濕+地源熱泵冷熱源的節(jié)能率達(dá)25%以上。
表3 溶液除濕+地源熱泵與常規(guī)空調(diào)冷熱源的節(jié)能性比較
注：計算辦公樓室內(nèi)夏季顯熱負(fù)荷權(quán)重為0.57，新風(fēng)負(fù)荷權(quán)重為0.43，冬季室內(nèi)顯熱負(fù)荷權(quán)重為0.43，新風(fēng)負(fù)荷權(quán)重為0.57。
2、節(jié)地優(yōu)勢
從前面2、3節(jié)分析可知，采用地源熱泵必須有一定面積的土地用于埋設(shè)換熱管道。而夏熱冬冷地區(qū)大都為我國較富饒地區(qū)，土地利用率高，很多項目往往因為沒有合適的埋管區(qū)域而放棄采用地源熱泵。采用干濕分離空調(diào)方式時，地源熱泵只需要承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，必定會減少用于埋管的土地面積。為了了解能減少的程度，這里以辦公建筑為例進(jìn)行計算。
目前夏熱冬冷地區(qū)的常規(guī)做法往往是依據(jù)建筑物冬季全部的計算熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)氐穆窆軣嵝?yīng)試驗數(shù)據(jù)來確定埋管數(shù)量，夏季冷量不足部分由水冷冷水機(jī)組提供。而采用熱泵型溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組與地埋管地源熱泵相結(jié)合的空調(diào)冷熱源方式時，是依據(jù)建筑物冬季室內(nèi)顯熱計算熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)氐穆窆軣嵝?yīng)試驗數(shù)據(jù)來確定埋管數(shù)量。
計算中應(yīng)先按熱負(fù)荷的要求確定機(jī)組規(guī)格，然后按該機(jī)組夏季工況條件確定冷凝器的散熱量，按此散熱量確定埋管數(shù)量。這里要說明的是，如果直接按冬季取熱量確定埋管數(shù)量，則會比夏季少很多，只能滿足夏季需求量的70%-90%，機(jī)組在夏季就不能正常運(yùn)行。計算過程見表4。
表4 二種空調(diào)方法的埋地面積計算
可以看出，在辦公建筑中，采用一體式熱泵型溶液調(diào)濕熱回收型新風(fēng)機(jī)組，結(jié)合地埋管地源熱泵的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，地埋管用地面積只有傳統(tǒng)地埋管地源熱泵+水冷冷水機(jī)組的空調(diào)系統(tǒng)的一半左右。因此，在用地面積十分緊張的夏熱冬冷地區(qū)更應(yīng)推廣這一技術(shù)，其節(jié)地意義重大。
四、應(yīng)用實例
1、空調(diào)系統(tǒng)簡介
上海虹橋產(chǎn)業(yè)樓由1號樓和2號樓組成，地下1層、地上6層，建筑高度24m。該項目主要功能為地上部分的辦公，總建筑面積達(dá)2.57萬m2，地上建筑面積為 17727m2。其中2號樓立面圖見圖3。
圖3 虹橋產(chǎn)業(yè)樓2號樓立面圖
經(jīng)計算，地上辦公區(qū)域的夏季總冷負(fù)荷（含新風(fēng)）為1753.lkW，其中室內(nèi)顯熱負(fù)荷為1003.3 kW；冬季總熱負(fù)荷為989.3kW，其中室內(nèi)熱負(fù)荷為423.7kW。冷熱源采用熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組+地埋管地源熱泵+水冷冷水機(jī)組。熱泵機(jī)組按冬季負(fù)荷配置，水冷機(jī)組按補(bǔ)足夏季冷負(fù)荷要求配置。采用冷卻塔+水冷冷水機(jī)組來保證土壤熱平衡。主機(jī)主要參數(shù)見表5。
表5 主機(jī)主要參數(shù)
新風(fēng)系統(tǒng)采用了12臺熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組，每層1臺。機(jī)組要求承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷和室內(nèi)濕負(fù)荷，新風(fēng)處理到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的等溫線上。
空調(diào)水管路為兩管制、閉式循環(huán)二級泵系統(tǒng)。一、二級循環(huán)水泵均采用變流量運(yùn)行；其中二級循環(huán)水系統(tǒng)同時還有混水控溫作用，保證空調(diào)末端設(shè)備夏季供回水溫度為16℃/19℃、冬季供回水溫度為30℃/27℃。水系統(tǒng)原理見圖4。
圖4 水系統(tǒng)原理圖
2、節(jié)能評價
采用DeST軟件計算得到建筑全年冷熱負(fù)荷，采用TRNSYS軟件對空調(diào)系統(tǒng)部件的控制過程進(jìn)行仿真，基于計算和仿真結(jié)果得到全年逐時空調(diào)能耗。同時依據(jù)同樣的建筑條件，對采用空氣源熱泵機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的方案的能耗也進(jìn)行了計算，計算能耗對照結(jié)果見表6。
表6 能耗對照表
由此可見，熱泵式溶液除濕新風(fēng)機(jī)組、干式空調(diào)末端與地源熱泵冷熱源集成的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果非常明顯，計算節(jié)能率達(dá)68%。
由于該工程因用戶遲遲未能人住，還未能拿到用戶的使用實測數(shù)據(jù)；該工程安裝了自動監(jiān)控智能系統(tǒng)，對冷熱源系統(tǒng)與空調(diào)設(shè)備都進(jìn)行了實時監(jiān)控、記錄，并具有分析功能。經(jīng)調(diào)試和運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，冬、夏季室內(nèi)溫濕度調(diào)控能力都能達(dá)到設(shè)計要求。2012年4月通過了“十一五”國家科技支撐計劃“可再生能源與建筑集成技術(shù)應(yīng)用示范工程”的驗收。
五、結(jié)語
在夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑中，采用一體式熱泵型溶液調(diào)濕熱回收型新風(fēng)機(jī)組、干式風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合地埋管地源熱泵技術(shù)，節(jié)能及節(jié)地效果明顯，在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用意義較大。
公共建筑中采用溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)時，宜優(yōu)先選用熱泵型溶液調(diào)濕熱回收型新風(fēng)機(jī)組作為處理新風(fēng)負(fù)荷和濕負(fù)荷的手段。
在江南潮濕地區(qū)采用溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)時，宜選用干式風(fēng)機(jī)盤管作為顯熱處理末端設(shè)備。顯熱末端空調(diào)設(shè)備的高溫冷源（兼熱源）宜采用地埋管地源熱泵機(jī)組。
這次筆者所在單位對溫濕度獨(dú)立控制加地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實踐，投資相對較大，回收期較長。原因是溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組價格較常規(guī)設(shè)備高，尤其是采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)后，地埋管的投資比重很大。隨著技術(shù)的成熟與應(yīng)用工程項目的增多，造價一定會不斷降低。從設(shè)計角度講，還需要不斷總結(jié)經(jīng)驗，降低投資，以取得更好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。
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